葡萄園土壤中4種金屬元素的測定及其對葡萄和葡萄酒的影響

張云峰，李 艷,2，嚴(yán) 斌，龐 健，牟德華,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018；3.中糧華夏長城葡萄酒有限公司，河北 昌黎 066600)

葡萄園土壤中4種金屬元素的測定及其對葡萄和葡萄酒的影響

張云峰1，李 艷1,2，嚴(yán) 斌3，龐 健3，牟德華1,*

(1.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.河北省發(fā)酵工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050018；3.中糧華夏長城葡萄酒有限公司，河北 昌黎 066600)

采用濕法消解處理樣品，火焰原子吸收光譜法檢測河北昌黎葡萄酒產(chǎn)區(qū)5個葡萄園土壤中的銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素。并對比研究3種葡萄、葡萄酒與葡萄園土壤中銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素含量的關(guān)系。對不同葡萄園和同一葡萄園種植不同品種葡萄，其土壤中金屬元素含量進(jìn)行差異性分析。結(jié)果顯示：葡萄園地理位置和微環(huán)境及所栽培的葡萄品種、樹齡和架勢不同，土壤中4種金屬元素含量不同，差異性顯著。鐵、鋅、錳3種元素在土壤中的含量與葡萄中的含量有一定關(guān)系。赤霞珠、美樂和西拉3種葡萄的土壤中銅、鐵、鋅的含量與葡萄及其葡萄酒中相對含量規(guī)律相同，而錳不同。

葡萄園土壤；葡萄；葡萄酒；火焰原子吸收光譜法；金屬元素

葡萄園的地理位置和土壤對葡萄和葡萄酒的質(zhì)量和安全有一定的影響，特別是土壤中的某些金屬元素影響葡萄植株的生長及果實的產(chǎn)量和質(zhì)量，如缺少錳元素會影響果實的成熟時間及色澤，缺少鋅和鐵會影響葡萄果穗的緊密度和果粒的大小[1]。樹齡較長的葡萄園，隨著農(nóng)藥和除草劑等的使用，會造成銅元素在土壤中積累[2]，隨著葡萄植株對土壤中銅元素的富集而帶入葡萄和葡萄酒中，致使酒中銅元素含量過高而導(dǎo)致銅破敗病[3]，進(jìn)而影響葡萄酒的質(zhì)量和穩(wěn)定性[4]。

研究葡萄園土壤、葡萄和葡萄酒中金屬元素及相關(guān)性，可以預(yù)防葡萄酒的破敗病，提高食品安全的指數(shù)?；鹧嬖游展庾V法作為檢測金屬元素的重要方法之一，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于土壤中重金屬[5]、食品中銅、鋅、鐵和錳[6]、飲料中的銅元素[7]以及葡萄[8]中金屬元素的檢測。該方法具有回收率高、準(zhǔn)確性和精密度好等特點。

昌黎葡萄酒是我國地理標(biāo)志產(chǎn)品，檢測土壤中的金屬元素，用以評價釀酒葡萄基地的品質(zhì)，引導(dǎo)進(jìn)行葡萄園土壤的改良具有重要意義。本研究對中糧華夏長城葡萄酒有限公司位于昌黎產(chǎn)區(qū)盧龍、撫寧和昌黎3個縣的5個精品葡萄基地的土壤、葡萄和所釀造的葡萄酒進(jìn)行了銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素含量的分析檢測。目的是研究葡萄園地理位置與土壤中銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素的關(guān)系，以及土壤中這4種金屬元素對葡萄生長及葡萄酒的影響。

1 材料與方法

1.1 試劑

鹽酸、濃硝酸、氫氟酸為優(yōu)級純；高氯酸為分析純；銅、鐵、鋅、錳標(biāo)準(zhǔn)溶液均為1000mg/L。

系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：分別移取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液2mL至100mL容量瓶中，配制成質(zhì)量濃度為20mg/L的標(biāo)準(zhǔn)使用液。然后用標(biāo)準(zhǔn)使用液配制成不同質(zhì)量濃度梯度的溶液用以制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，配制過程中均使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.3%硝酸溶液進(jìn)行定容。

1.2 儀器與設(shè)備

TAS-990原子吸收光譜儀以及銅、鐵、鋅、錳空心陰極燈 北京普析通用儀器有限公司；KJ-B型無油空壓機(jī) 天津利邁豪工貿(mào)有限公司。

1.3 樣品采集

采樣葡萄園的地形包括山坡、丘陵和平地，采樣點力圖包含海拔高度、土壤類型、葡萄品種、樹齡、架勢等多種影響因素，共設(shè)24個位點。在距葡萄植株0.8m內(nèi)采集3個土壤樣品，混合后用于檢測。對應(yīng)土壤樣品位點在葡萄植株的不同位置采集果粒用于檢測和釀酒。本實驗選取其中具有代表性的14個采樣點進(jìn)行分析，樣品點描述見表1。

表1 土壤樣品信息Table 1 Information of soil samples

土壤樣品為地表下15～20cm處的表層土壤；葡萄品種包括赤霞珠、美樂、西拉；葡萄酒為本研究室采用10L玻璃瓶釀造，避免釀造過程中金屬離子污染。

1.4 樣品處理

土壤樣品前處理：取一定量的土壤，風(fēng)干后研磨，過100目篩。

樣品消解：參照文獻(xiàn)[9]消解方法。

葡萄樣品處理：參照文獻(xiàn)[10]消解方法對葡萄樣品進(jìn)行處理。

酒樣處理：量取25mL酒樣于100mL錐形瓶中，加入15mL過氧化氫，放在電熱板上加熱消解，溫度控制在150℃左右，待錐形瓶中溶液為20mL時，加入1mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%硝酸，繼續(xù)加熱消解，等到錐形瓶中溶液為2mL時停止加熱，取下錐形瓶冷卻，轉(zhuǎn)入25mL的容量瓶，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.3%硝酸溶液連續(xù)清洗3次錐形瓶，清洗液轉(zhuǎn)入容量瓶、搖勻并用上述硝酸溶液定容[11-12]。

1.5 火焰原子吸收光譜法檢測

火焰原子吸收光譜法的檢測條件和銅、鐵、鋅、錳元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線與回收率分別見表2、3。

表2 火焰原子吸收的檢測條件Table 2 Detection conditions of flame atomic absorption

表3 標(biāo)準(zhǔn)曲線與回收率Table 3 Standard curve and recovery rate

1.6 數(shù)據(jù)分析

實驗所有數(shù)據(jù)均為3次平行的平均值。數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析采用SPSS13.0分析軟件的ANOVA進(jìn)行顯著性方差分析，應(yīng)用LSD法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄園地理位置的影響

2.1.1 海拔高度對葡萄園土壤中金屬元素的影響

土壤中的金屬元素會隨著雨水和灌溉等影響有部分流失，在地勢較為平坦的土壤中沉積下來，使金屬元素在垂直方向上形成差異性。研究中選擇3個坐落在山坡上的葡萄園，在不同海拔高度采集土壤進(jìn)行對比分析，檢測結(jié)果見表4。

表4 海拔高度對土壤中金屬元素的影響Table 4 Effect of altitude on the contents of metal elements

由表4可以看出，隨著海拔高度的降低，葡萄園土壤中銅、鐵兩種元素增加。例如在海拔較低的采樣點W2和L2，隨海拔高度每降低1m，土壤中銅元素增加2.32～2.40mg/kg，鐵元素增加4.79～5.14mg/kg。但是由于葡萄園修建的方式不同，在同一個葡萄園也會出現(xiàn)相反的情況。例如，曹柳河的葡萄園，在C1處修有畦，有效的防止了水土流失，所以相比于C2和C3兩個海拔較低的位點，銅、鐵兩種元素依然保持了較高的含量。而C1與C2兩處相比較，由于海拔落差較小，坡度較緩，銅、鐵兩種元素變化并不明顯。

鋅和錳兩種元素，隨海拔高度的不同進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。

表5 鋅、錳和海拔高度的相關(guān)水平表Table 5 Correlation of altitude with the contents of Zn and Mn

結(jié)果顯示，鋅與海拔高度的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.98，為極顯著相關(guān)。而錳元素與海拔高度的相關(guān)系數(shù)僅為0.641，經(jīng)檢驗未達(dá)到顯著水平。同時可以看到，鋅與錳兩種元素之間也有一定的聯(lián)系，雖然相關(guān)系數(shù)僅為0.759，但經(jīng)檢驗顯著水平達(dá)到了顯著。因此說明，土壤中的金屬元素與海拔高度具有一定的相關(guān)性。但是，水土流失，化肥農(nóng)藥等的使用也是導(dǎo)致差異性的原因。

土壤中的金屬元素在海拔高度不同的地方含量具有一定的差異性。因此在葡萄園的選址時，除考慮坡度、坡向等問題以外，還要考慮到土壤中的金屬元素隨海拔高度的分布問題，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整葡萄園的修建方式(例如修建成梯田)以及栽培架式，從而獲得優(yōu)質(zhì)的葡萄。

2.1.2 不同葡萄園土壤中金屬元素的差異性

葡萄園所在的地理位置不同，其土壤中金屬元素的含量會有一定的差異。因為不同葡萄園所在地的地形不同，如海拔高度、坡度等會造成差異性，另外，風(fēng)向、風(fēng)速和日照強(qiáng)度等對于土壤中巖石和礫石等的風(fēng)化作用等微氣候也會導(dǎo)致葡萄園之間的土壤中金屬元素的差異性。所以實驗對采樣的5個葡萄園的土壤中的銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素進(jìn)行了方差分析，結(jié)果見表6。

表6 不同葡萄園土壤中金屬元素含量的方差分析表Table 6 Variance analysis for the contents of metal elements in soil samples from different vineyards mg/kg

由表6可以看出，李柳河葡萄園土壤中銅含量最高，華夏公司母本園最低。李柳河葡萄園土壤中銅含量與其他4個葡萄園相比，具有顯著性差異。而吳官營、鮑子溝和曹柳河3個葡萄園之間的差異并不顯著。鐵和錳元素，除了鮑子溝葡萄園土壤中鐵元素含量與其他葡萄園相比具有顯著差異外，其他葡萄園土壤中這兩種元素的差異性不大；對于土壤中鋅元素的比較，吳官營與曹柳河，鮑子溝與華夏母本園，兩兩之間的差異性不顯著，與其他3個葡萄園的差異性顯著。而李柳河葡萄園土壤中鋅元素含量最高，與其他4個葡萄園相比差異性顯著。

由以上分析可以看出，土壤中銅、鐵、鋅3種元素因為葡萄園的地理位置不同而具有一定的差異性。但是錳元素并沒有因為地理位置等的變化而有太大的差異性，這與張鐵錚等[13]對于張家口地區(qū)葡萄園中錳元素研究結(jié)果一致，錳具有低變異性。

2.2 土壤中金屬元素與所栽培葡萄的相互關(guān)系

2.2.1 葡萄樹齡對土壤中金屬元素的影響

實驗采集的河北省盧龍縣鮑子溝葡萄園中，所栽培的赤霞珠葡萄樹齡有三年生B1和十年生B2，分別采集土壤樣品分析檢測金屬含量，結(jié)果見圖1。

圖1表明，B2土壤中銅和錳的含量明顯要比B1土壤中含量高，分別是B1土壤中銅、錳含量的2.25倍和1.5倍。隨葡萄樹齡的增長，對于葡萄病蟲害的防治以及使用除草劑進(jìn)行田間除草，農(nóng)藥中銅、錳元素在土壤中的積累，尤其以銅元素最為顯著，這與Brun等[2]對土壤中總銅含量的研究結(jié)果相符。銅、錳元素對葡萄的坐果都有一定的影響，同時錳對葡萄的光合作用具有重要的意義。但是，銅元素在葡萄酒存儲過程中會產(chǎn)生紅棕色的沉淀而影響酒的品質(zhì)與感官，同時Mn2+會氧化Fe2+而導(dǎo)致葡萄發(fā)生缺綠癥狀[14]。

圖1 樹齡不同對土壤的金屬元素的影響Fig.1 Effect of tree age on the contents of metal elements in soil

對比兩種樹齡的葡萄園土壤可以看出，隨著葡萄樹齡的增長，鐵和鋅的含量有所下降，分別下降212mg/kg和6.5mg/kg。這是因為葡萄從土壤中吸收鐵、鋅元素進(jìn)行必要的生理作用，伴隨著葡萄果實的采摘而離開了葡萄園。在郭修武等[15]對于種植葡萄30年重茬3次和種植葡萄3年新建葡萄園的根區(qū)土壤養(yǎng)分變化研究中也發(fā)現(xiàn)鐵元素會隨著葡萄種植的年限增長而減少，這與本實驗的結(jié)果相符。

2.2.2 葡萄栽培架式對土壤中金屬元素的影響

葡萄的栽培架式使單位面積葡萄植株數(shù)不同，植株數(shù)增加能夠有效的保持水土，防治土壤中金屬元素的流失。同時，葡萄植株增加對于土壤中的金屬元素也具有一定的吸收同化作用。本實驗選擇昌黎產(chǎn)區(qū)具有代表性的吳官營葡萄園進(jìn)行分析。在吳官營葡萄園W1、W2海拔高度相近的地點采集了W3、W4兩個土壤樣品。其中，W1、W2為單籬架種植模式，W3、W4為雙籬架種植模式。兩者單位面積上的植株數(shù)比約為1:1.5～1:2，土壤中金屬元素的檢測結(jié)果見表7。

表7 不同栽培架式對土壤中金屬元素的影響Table 7 Effect of posture on the contents of metal elements in soil

由表7可看出，鐵、錳兩種元素在兩種栽培架式上的變化規(guī)律一致，即無論栽培架式如何，鐵、錳兩種元素都隨著海拔高度的降低含量增加。但銅、鋅兩種元素的變化規(guī)律則相反。銅元素，在單籬架式栽培的W1、W2兩點之間可以計算得出，隨著海拔高度的下降，銅元素含量的變化率為海拔高度下降1m，銅含量增加2.33mg/kg。按照此變化率計算，在W4處的銅含量應(yīng)該為105.36mg/kg。但實際是55mg/kg。

通過以上分析可以看到，葡萄的栽培架式對于土壤中金屬元素含量的多少具有很大的改變作用，尤其對于銅元素。但是在單位面積上葡萄植株數(shù)量的增多，葡萄的產(chǎn)量會增加，影響葡萄的質(zhì)量，因此在不同葡萄園需要根據(jù)土壤中金屬元素的含量考慮葡萄架式的選擇。

2.2.3 葡萄品種對土壤中金屬元素的影響

在同一個葡萄園中，種植不同品種的葡萄，會導(dǎo)致土壤中金屬元素的差異。實驗選擇中糧華夏長城葡萄酒有限公司周圍的母本園，采集了種植赤霞珠、美樂、西拉3種葡萄的葡萄以及土壤，進(jìn)行3次平行實驗，并應(yīng)用SPSS統(tǒng)計方法ANOVA分析中的LSD最小顯著性差異分析方法對土壤中銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素進(jìn)行分析，結(jié)果見表8。

表8 種植不同品種葡萄的土壤中金屬元素的方差分析Table 8 Variance analysis for the contents of metal elements in soil planted different grape varieties mg/kg

由表8最小顯著性差異分析可知，對于鋅元素，種植赤霞珠與西拉的土壤差異性不顯著，但與種植美樂葡萄的土壤差異性顯著。而在銅、鐵、錳3種金屬元素在種植不同品種葡萄的土壤之間進(jìn)行比較，差異性顯著。

同時，通過不同種葡萄果實中的金屬元素含量的分析可以看出，不同品種的葡萄對于銅和錳元素的吸收具有很大的差異性，其中，對于銅元素，西拉葡萄中的含量是美樂葡萄中的1.74倍；而赤霞珠葡萄中錳元素的含量是西拉葡萄的4.3倍。可以看出，由于葡萄品種對于土壤中金屬元素的吸收能力不同，對土壤中金屬元素含量改變的能力也就不同。

由于不同品種的葡萄發(fā)生的病蟲害等不同，而使用不同的農(nóng)藥在土壤中進(jìn)行積累，進(jìn)而會導(dǎo)致差異性顯著。同時田間的雜草對于土壤中的銅、錳、鋅等金屬元素具有富集的作用會導(dǎo)致了差異性[16]。但是葡萄作為主要的作物，是造成葡萄園土壤中金屬元素含量差別的重要原因。

2.3 葡萄園土壤、葡萄、葡萄酒中金屬元素的研究

葡萄酒中金屬元素對于葡萄酒的品質(zhì)與感官都有影響。而其來源主要是葡萄果實與釀造過程中的污染。隨著現(xiàn)代加工工藝與加工工具的使用，在釀造過程中發(fā)生污染的狀況已經(jīng)大大的降低了。所以果實中的金屬元素成為葡萄酒中的金屬元素的重要來源。本實驗對同一采樣點分別采集土壤、葡萄和原酒，分別研究昌黎華夏母本園的赤霞珠、西拉和美樂3種葡萄的土壤、葡萄、原酒中銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素的含量。

2.3.1 葡萄園土壤與葡萄中金屬元素的研究

表9 葡萄生長過程中土壤和葡萄中金屬元素的含量Table 9 Effect of grape growth process on the contents of metal elements in soil and grapes

由表9可以看到，3種葡萄的土壤中，銅、鐵、鋅3種元素的含量增加，錳元素的含量減少。分析原因是，鐵與鋅元素的來源是肥料，在葡萄出土以后，葡萄園在施肥使土壤中這兩種金屬元素含量增加。而銅和錳兩種元素的主要來源是噴灑農(nóng)藥，銅元素的增加是因為在葡萄病害防治時普遍噴灑波爾多液，其主要成分含有硫酸銅，因此會導(dǎo)致土壤中銅元素增加；而錳元素含量減少，是由于葡萄生長期間病蟲害較少，沒有進(jìn)行含錳元素農(nóng)藥的噴灑，同時通過葡萄的吸收而使得土壤中錳元素含量減少。

通過對土壤中和葡萄中金屬元素含量的對比分析可以看出，土壤鐵與鋅兩種元素的變化量與葡萄中的含量多少對映的較為一致，即土壤中元素含量增加的多，葡萄中金屬元素的含量高；錳元素，土壤中含量減少的量大，葡萄中金屬元素的含量高，說明了土壤中錳元素的變化對葡萄中金屬元素的含量具有一定的影響；銅元素，雖然土壤中的含量增加，葡萄中的含量也有所增加，但是沒有明顯的規(guī)律，這是因為其元素的來源以及作用方式不同，進(jìn)而出現(xiàn)了不同的結(jié)果。

通過以上分析，土壤中金屬元素的含量對葡萄中金屬元素的含量具有一定的影響，土壤中鐵、鋅、錳通過葡萄根系而進(jìn)入葡萄。而銅元素，果實中的來源一部分是通過根部吸收，另一部分是由噴灑在果表的農(nóng)藥，通過果表吸收而進(jìn)入到了葡萄中，因此，土壤中的銅與葡萄果實中的銅元素含量雖有一定影響，但還要考慮到葡萄果表的吸收。

2.3.2 葡萄園土壤與葡萄酒中金屬元素的研究

葡萄酒中的金屬元素是來源于葡萄果實與釀造過程的污染，而果實當(dāng)中的金屬元素主要是由葡萄根系在土壤中吸收而來。在最大限度的避免葡萄酒在釀造過程中的金屬污染后，研究了土壤中金屬元素含量與最終的葡萄酒中金屬元素含量的關(guān)系，檢測結(jié)果見圖2、3。

圖2 銅和鋅含量對比圖Fig.2 Comparison on the contents of Cu and Zn in soil and grape wine

圖3 鐵和錳含量對比圖Fig.3 Comparison on the content of Fe and Mn in soil and grape wine

由圖2、3對比可以看出，土壤中4種金屬元素與葡萄酒中含量高低具有一定的相關(guān)性。銅、鋅和鐵3種元素在土壤中與葡萄酒中含量高低變化對映的較好，錳元素在赤霞珠葡萄土壤中含量較低，而在酒中含量卻較高。因為葡萄園中錳元素的來源主要是來自于農(nóng)藥噴灑。農(nóng)藥的噴灑對象主要為葡萄葉與果實，而葡萄酒在生產(chǎn)時葡萄是不經(jīng)過清洗而直接進(jìn)行破碎加工，因此葡萄果皮上附著的錳元素與銅元素會進(jìn)入到酒中。

通過3種葡萄的土壤與酒中的金屬元素含量的對比，4種金屬元素的含量基本一致，有些略有差異。排除人為因素以外，葡萄園土壤中的金屬元素會通過葡萄根系的吸收，而最終進(jìn)入到酒中。因此，葡萄園土壤中金屬含量的高低對于最終的葡萄酒中金屬元素的含量具有一定的影響。

3 結(jié) 論

3.1 采用濕法消解，火焰原子吸收光譜法檢測土壤與葡萄和葡萄酒中的銅、鐵、鋅、錳4種金屬元素。標(biāo)準(zhǔn)曲線的R2均為0.99以上，且回收率較高為98%～101%。

3.2 在不同地區(qū)和不同海拔高度垂直分布的葡萄園土壤中金屬元素都有一定的差異性，且部分元素的差異性顯著。

3.3 葡萄園中所栽培葡萄的樹齡、品種以及栽培架式對于土壤中的金屬元素具有一定的影響。通過對比分析及差異性比較可知，土壤中銅、錳兩種元素的變化較大。這兩種元素主要來源于農(nóng)藥和除草劑，所以建議加強(qiáng)田間管理以減少病蟲害，同時使用機(jī)械除草來減少銅、錳兩種元素在土壤中的積累。

3.4 金屬元素通過葡萄的根系對于土壤中水分以及養(yǎng)分的吸收而進(jìn)入到果實當(dāng)中，最終進(jìn)入到酒中，因此土壤中的金屬元素是葡萄酒中金屬元素的重要來源。通過控制化肥和農(nóng)藥等的使用來改變土壤中金屬元素，從而達(dá)到改變葡萄中的金屬元素的含量，提高葡萄酒的品質(zhì)。

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Determination of Four Metal Elements in Vineyard Soil and the Effect on Grape and Grape Wine

ZHANG Yun-feng1，LI Yan1,2，YAN Bin3，PANG Jian3，MOU De-hua1,*
(1. College of Bioscience and Bioengineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China；2. R&D Center for Fermentation Engineering of Hebei Province, Shijiazhuang 050018, China；3. COFCO Wines & Huaxia Winery Co. Ltd., Changli 066600)

In this study, the wet digestion method was used to treat soil samples from five vineyards in Hebei Changli grape-producing area. The contents of four metal elements such as copper, iron, zinc and manganese in grape, grape wine and vineyard soil samples were detected by flame atomic absorption spectrometry. Results showed that the contents of four metals were significantly different in soil samples and grape samples with different varieties, age and postures from different vineyard locations and microenvironments. The contents of iron, zinc and manganese in soil of vineyards reveal a correlation with the contents of three metal elements in grape. There was a similar trend in the contents of copper, iron, zinc except manganese between the soil and grape wine from three kinds of grapes such as Cabernet Sauvignon, Merlot and Syrah.

vineyard soil；grape；grape wine；flame atomic absorption spectrometry；metal element

Q815

A

1002-6630(2010)24-0374-06

2010-07-20

河北省2009年科技支撐計劃課題(092210003D)

張云峰(1985—)，男，碩士研究生，研究方向為發(fā)酵工程。E-mail：zhang3684@sina.com

*通信作者：牟德華(1960—)，男，教授，本科，研究方向為果蔬與農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：dh_mou@163.com